Можно ли в домашних условиях искривить луч света? Можно. Давайте попробуем.
Для проведения этого опыта вам потребуются:
Лазерная указка (самая обычная).
Вода.
Сахар. Чем больше, тем лучше — после эксперимента его можно будет использовать, чтобы сварить варенье или компот.
Ёмкость. Удобнее всего использовать узкую стеклянную кювету, но она не всегда под рукой, поэтому подойдёт любой прозрачный сосуд. Его размеры определяются только (не)желанием сэкономить сахар — можно и обрезанную пластиковую бутыль взять.
Терпение и аккуратность (в разумных пределах).
Шаг 1
Советуем сначала провести предварительный эксперимент. Наливаем в ёмкость воду, подсвечиваем её через стенки лазерной указкой (если луч не виден, можно добавить каплю молока, но именно каплю). Убеждаемся, что луч света идёт по прямой, в каком бы направлении мы ни светили. Выливаем воду.
Шаг 2
Кипятим чистую воду (2/3 от объёма ёмкости), наливаем кипяток в термос, начинаем засыпать туда сахар. Периодически закрываем термос и сильно трясём, чтобы сахар растворился. Можно, конечно, размешивать сахар ложкой в кастрюле с кипятком, но делать это следует очень аккуратно, чтобы не ошпариться. Сахар разводится в воде из расчёта 1 кг на 1 л.
Шаг 3
Даём жидкости остыть, наливаем её в ёмкость. Затем аккуратно, медленно, небольшой струйкой доливаем сверху обычную воду. Наша задача — сделать так, чтобы вода не особо перемешивалась с раствором (можно даже подставить по ходу струи бумажку, чтобы она смягчила напор). Важно также, чтобы сладкая вода и обычная были одной температуры.
Шаг 4
Светим лазерной указкой сквозь стенку ёмкости параллельно поверхности воды на небольшой глубине — луч распространяется по прямой. Но стоит нам уйти глубже и посветить лазером под углом к стенке снизу вверх, луч начнёт изгибаться.
Объяснение
Такое странное поведение луча связано с тем, что жидкость в сосуде неоднородная: насыщенный раствор сахара плотнее воды, которую мы аккуратно налили сверху. В результате диффузии происходит выравнивание плотности, но процесс это небыстрый, поэтому в нашей экспериментальной ёмкости получился градиент плотности раствора: она возрастает в направлении от поверхности вниз. В неоднородной среде траектория светового луча не прямолинейная. Переходя из слоя в слой, свет преломляется — постепенно изменяет своё направление. Это явление называют рефракцией.
Этот же механизм лежит в основе миражей. Вот представьте: жарким днём вы едете на машине или велосипеде по асфальтовой дороге и видите впереди лужу, в которой отражаются придорожные деревья. Подъезжаете ближе — нет, сухо. Это был мираж, аналогичный миражу «вода в пустыне».
Но какое отношение имеет искривление световых лучей к миражам? Дело в том, что видение — это работа не только глаз, но и мозга. А мозг привык иметь дело исключительно с прямыми лучами: пришёл сигнал сверху — источник тоже сверху, снизу — значит, и источник где-то под ногами. Дуга же ломает этот шаблон: картинка с небом простирается куда-то вдаль, а над поверхностью земли — вблизи разогретого асфальта — начинает искривляться (плотность горячего воздуха меньше, чем более холодного воздуха наверху).
Свет будто не падает, а скатывается с гиперболической горочки. Вот мозг и трактует это как отражённое от асфальта небо. Наверное, там лужа, что ж ещё. Солнечный диск, на закате касающийся горизонта, — это тоже мираж! На самом деле солнце уже зашло, но его лучи, проходя через атмосферу переменной плотности, изгибаются, достигая наших глаз из-под горизонта, и мы видим солнце выше, чем оно есть на самом деле.
Опубликовано в журнале «Вот Шрёдингера» № 45 2020 г.